摇摆附加力对循流动影响的理论分析.doc

摇摆附加力对循环流动影响的理论分析 宫厚军，杨星团，姜胜耀，刘志勇 （清华大学核能与新能源技术研究院先进反应堆工程与安全教育部重点实验室 北京 100084） 摘要：以一体化全功率自然循环反应堆模拟实验回路为物理原型，建立了非惯性系下自然循环流动理论分析模型。通过对稳态、零加热摇摆以及满功率摇摆条件下的自然循环流动的计算，分析了附加惯性力对流体作用的机理。结果表明：（1）零加热条件下在外环回路和内环回路中引起了流动，但不能形成正确的自然循环，无法将堆芯热量带出；（2）满功率摇摆情况下，加热通道及换热器通道均发生波动，但总流量的波动很小；（3）零加热摇摆与满功率摇摆相比，后者的波动远小于前者；（4）流体波动周期与摇摆周期相同。 关键词：摇摆，自然循环，一体化自然循环反应堆 中图分类号：TL333 文献标识码：A 1 引言 清华大学研制的低温核供热堆采用一体化全功率自然循环压水方式运行，体现了“一体化”和“非能动”的设计思想，具有固有安全特性，在陆地条件下开展过大量的热工水力学研究。将其应用于海洋环境，会影响到热工水力学特性，造成自然循环反应堆的倾斜和摇摆运动，一方面使驱动头发生变化，影响系统的自然循环能力；另一方面，载热剂受到附加作用力产生附加运动，与系统本身的自然循环流动相叠加，从而形成复杂的运动形式。 为此，清华大学核能与新能源技术研究院建立了海洋条件下一体化自然循环反应堆实验回路，为进一步研究海洋条件下的自然循环流动特性奠定了基础。本文主要从理论分析和数值模拟的角度分析摇摆条件对自然循环流动特性的影响机理。 2 实验系统 实验系统包括三个回路，分别由模拟自然循环反应堆的实验装置回路、二回路、和将热量散发给最终热阱的三回路组成。实验装置回路由包含加热段、以及上升段、分流段、主换热器、下降段、回流段、稳压装置等组成。加热段由三个对称布置加热通道组成，分别模拟不同位置的燃料组件，加热元件为模拟反应堆燃料元件的电加热棒束，通道外表面包裹隔热材料。主换热器与实际反应堆所用主换热器在类型、结构、换热管尺寸、换热管排列方式、换热器有效高度等方面完全相同，但换热管数量则按比例缩小。每个部件都与实际反应堆相对应，并根据相似准则与实际反应堆进行模拟。摇摆轴位置在实验装置几何中心以上约1.5m处。该装置与日本[1]，韩国[2-3]，哈尔滨工程大学[4]的实验装置在回路、运行参数、摇摆轴位置上均有较大区别。 图1 海洋条件下自然循环实验装置示意图 Fig.1 The sketch map of the experiment device for natural circulation under ocean condition 流体在加热段中被加热，在由密度差产生的驱动力的作用下向上流动，流经上升段被分流到两个换热器进行冷却，再经过下降段、回流段回到加热段，从而组成一个循环回路。主换热器的二次侧的入口温度通过三回路调节，加热段入口温度通过主换热器冷却水流量加以调节，稳压装置维持系统压力保持不变，并保证系统内的单相流动状态。 3 物理模型 建立非惯性直角坐标系，坐标原点设定在摇摆轴上，以摇摆轴为X轴，中心线为Z轴，水平线为Y轴，并规定坐标系正方向。坐标系随实验装置摇摆而运动，根据质点动力学和运动学原理[5]，在运动坐标系中质点相对运动的动力学方程中应包含惯性力项-a，它是相对于绝对坐标系的质点牵连加速度和质点科氏加速度之和的负值；质点牵连加速度就是运动坐标系中对应点相对于绝对坐标系的加速度；科氏加速度等于质点相对加速度和运动坐标系的旋转角速度的叉积，即： 其中：是运动坐标系原点的相对于绝对坐标系移动速度；是运动坐标系相对于绝对坐标系的角速度；是运动坐标系相对于绝对坐标系的角加速度；是切向加速度；是法向加速度；是流体质点的相对速度；是科氏加速度。 单自由度摇摆条件为： (1) (2) (3) 实验装置位于坐标系的OYZ面内，(0,y,z)处的流体质量力分解为： (4) (5) (6) 建立数学模型后进行离散求解，该模型中较为全面的包括了运动坐标系下的各种作用因素，可用于计算摇摆条件下的自然循环流动。本文将通过理论手段讨论静止的陆地坐标系和运动的海洋坐标系下的自然循环流动。 4 计算结果与分析 分析表明：自然循环的流速受到摇摆引入的惯性力和热驱动力的影响[1-8]。摇摆引入的惯性力包括法向力、切向力和科氏力，科氏力与流体流动方向垂直。 为了确定摇摆惯性力和驱动力的作用，模拟了多种实验工况，分别是1）零加热功率条件下的摇摆；2）不同加热功率水平下的直立稳态自然